[學(xué)習(xí)]反應(yīng)工程基礎(chǔ)教學(xué)課件：反應(yīng)工程期中復(fù)習(xí)

1、反應(yīng)工程期中復(fù)習(xí),2012.03.30,清華大學(xué)綠色反應(yīng)工程與工藝北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Fluidization Laboratory Of Tsinghua University （ FLOTU）,期中考試,內(nèi)容： 理想流動(dòng)：第一章至第六章，第八章題型、題量： 選擇題，填空題，判斷題，計(jì)算題時(shí)間： 4月11日上午第一大節(jié)，90分鐘,概述,化學(xué)反應(yīng)工程：反應(yīng)動(dòng)力學(xué)+反應(yīng)器設(shè)計(jì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 反應(yīng)速率、

2、反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)器設(shè)計(jì) 形式、體積、時(shí)間、操作條件、轉(zhuǎn)化率,,核心,反應(yīng)器設(shè)計(jì)的一般步驟,摩爾衡算,動(dòng)力學(xué),化學(xué)計(jì)量學(xué),能量衡算,,,,第一章,第二章,第五章,第六章,第三章,綜合設(shè)計(jì),,第四章,第八章,目錄,各章節(jié)重點(diǎn)概念、公式解題一般思路例題,摩爾衡算通式,第一章 摩爾衡算,,第一章 摩爾衡算,四種理想反應(yīng)器模型,反應(yīng)器特點(diǎn),1.濃度、溫度、反應(yīng)速率無(wú)空間分布；2.非穩(wěn)態(tài)，物理量?jī)H為時(shí)間的函數(shù)。,1.濃度、溫度、反應(yīng)速率無(wú)

3、空間分布；2.穩(wěn)態(tài), d/dt=0;3.出口量=反應(yīng)器內(nèi)量4.空間、時(shí)間返混無(wú)窮大,1.濃度、溫度、反應(yīng)速率只有軸向分布；2.穩(wěn)態(tài), d/dt=0;3.徑向理想混合、軸向無(wú)返混、無(wú)時(shí)間返混,1.濃度、溫度、反應(yīng)速率只有軸向分布；2.穩(wěn)態(tài), d/dt=0;3.徑向理想混合、軸向無(wú)返混、無(wú)時(shí)間返混,第一章 摩爾衡算,四種理想反應(yīng)器的摩爾衡算,間歇釜,CSTR,PFR,PBR,微分形式,代數(shù)形式,積分形式,速率方程 rA（1）

4、代數(shù)方程，而非微分方程?。。。?）rA=f(反應(yīng)物性質(zhì)：C，P，T….) 與反應(yīng)器形式無(wú)關(guān)（3）強(qiáng)度量（4）均相反應(yīng)——單位體積的變化率 非均相反應(yīng)——單位催化劑質(zhì)量的變化率,第一章 摩爾衡算,轉(zhuǎn)化率定義 A單位進(jìn)料摩爾數(shù)中反應(yīng)掉的A摩爾數(shù),第二章 轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)器尺寸,間歇釜體系,流動(dòng)體系,無(wú)支流的串聯(lián)反應(yīng)器,基于轉(zhuǎn)化率改寫摩爾衡算方程,第二章 轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)器尺寸,基于轉(zhuǎn)化率改寫速率

5、方程 rA=f(XA)數(shù)值法設(shè)計(jì)反應(yīng)器 V=g(XA, rA) + rA=f(XA) ? V=q(XA)圖解法設(shè)計(jì)反應(yīng)器,第二章 轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)器尺寸,速率方程形式 冪定律形式 V.S. 非冪定律形式冪定律形式的速率方程速率方程中的參數(shù),第三章 速率方程和化學(xué)計(jì)量學(xué),,,反應(yīng)級(jí)數(shù)、速率常數(shù)、平衡常數(shù),反應(yīng)級(jí)數(shù)：實(shí)驗(yàn)測(cè)定速率常數(shù)：Arrhenius公式平衡常數(shù)：,第三章 速率方程和化學(xué)計(jì)量

6、學(xué),A: 頻率因子E: 活化能,將濃度表示成轉(zhuǎn)化率的函數(shù) 濃度=物質(zhì)量/體積 物質(zhì)量——化學(xué)計(jì)量表——轉(zhuǎn)化率 體積——體積變化率——轉(zhuǎn)化率,第三章 速率方程和化學(xué)計(jì)量學(xué),第三章 速率方程和化學(xué)計(jì)量學(xué),組分,進(jìn)入反應(yīng)器的流率(mol/time),反應(yīng)器內(nèi)的變化(mol/time),流出反應(yīng)器的流率(mol/time),A,B,C,D,I (惰性),總量,,化學(xué)計(jì)量表,第三章 速率方程和化學(xué)計(jì)量學(xué),體積變化,

7、恒體積間歇釜：,膨脹因子,膨脹率,以轉(zhuǎn)化率為變量的濃度,也適用于恒體積間歇系統(tǒng)中進(jìn)行的氣相反應(yīng),第三章 速率方程和化學(xué)計(jì)量學(xué),氣體,,不可壓縮液體,,等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì)思路兩種算法 （1）以轉(zhuǎn)化率為變量 （2）以濃度或摩爾流率為變量,第四章 等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),求解,聯(lián)立方程,化學(xué)計(jì)量學(xué),動(dòng)力學(xué),摩爾衡算,（1）以轉(zhuǎn)化率為變量的計(jì)算步驟,第四章 等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),a. 設(shè)計(jì)方程 (Batch, CSTR, PFR, PB

8、R),b. 速率方程,c. 化學(xué)計(jì)量學(xué),(1) 氣相,第四章 等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),對(duì)填充床,(2) 液相,d. 等溫操作,Gas:,Liquid:,將濃度帶入動(dòng)力學(xué)，將動(dòng)力學(xué)帶入摩爾衡算方程，積分求解,第四章 等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),速率方程,化學(xué)計(jì)量學(xué),氣體,液體,（2）以摩爾流率為變量的計(jì)算步驟,摩爾衡算（對(duì)每一組分）,利用ODE方法求解常微分方程組,幾種特殊反應(yīng)器形式 膜反應(yīng)器——提高轉(zhuǎn)化率 半間歇反應(yīng)器——提高選擇性 循環(huán)反

9、應(yīng)器——自催化反應(yīng)，生化反應(yīng) 微反應(yīng)器——強(qiáng)化過(guò)程，如混合、傳熱 球型反應(yīng)器——降低壓降,第四章 等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),膜反應(yīng)器,第四章 等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),摩爾衡算方程,半間歇反應(yīng)器,,,摩爾衡算方程,體積是時(shí)間的函數(shù),循環(huán)反應(yīng)器,第四章 等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),介于CSTR與PFR之間的一種反應(yīng)器形式循環(huán)比?無(wú)窮：CSTR循環(huán)比?0：PFR,附加定義：循環(huán)比、單程轉(zhuǎn)化率、總轉(zhuǎn)化率,循環(huán)比：?jiǎn)纬剔D(zhuǎn)化率：總轉(zhuǎn)化率：設(shè)計(jì)方程：最

10、優(yōu)循環(huán)比：,,,,入口反應(yīng)速率的倒數(shù) ＝ 過(guò)程反應(yīng)速率倒數(shù)的積分平均值,反應(yīng)級(jí)數(shù)與速率常數(shù)的確定 均相反應(yīng)——間歇反應(yīng)器 非均相反應(yīng)——微分反應(yīng)器,第五章 速率方程數(shù)據(jù)收集分析,均相反應(yīng)測(cè)定方法 C~t的關(guān)系 摩爾衡算方程+動(dòng)力學(xué)? 微分法： 積分法： 初始速率法： 半衰期法：,第五章 速率方程數(shù)據(jù)收集分析,非均相反應(yīng)測(cè)定方法 FP~CA

11、0的關(guān)系 摩爾衡算方程： 動(dòng)力學(xué)： 聯(lián)立：,第五章 速率方程數(shù)據(jù)收集分析,選擇性定義 D~目的產(chǎn)物；U~副產(chǎn)物,第六章 復(fù)合反應(yīng),D的瞬時(shí)選擇性,D的總選擇性,對(duì)間歇釜,收率定義,第六章 復(fù)合反應(yīng),瞬時(shí)收率,總收率,流動(dòng)體系,間歇釜,幾種簡(jiǎn)單復(fù)合反應(yīng)的討論 平行反應(yīng)、連串反應(yīng)（1）平行反應(yīng),第六章 復(fù)合反應(yīng),選擇性,反應(yīng)級(jí)數(shù)：反應(yīng)級(jí)數(shù)越大?對(duì)濃度越敏感?反應(yīng)器形式活化能：活化能越大?對(duì)溫度越敏感

12、?反應(yīng)溫度,（2）連串反應(yīng),第六章 復(fù)合反應(yīng),最佳收率（以PBR中的反應(yīng)為例）,,復(fù)雜反應(yīng)求解的思路,第六章 復(fù)合反應(yīng),摩爾衡算: 寫出每種物質(zhì)的摩爾平衡方程式 [摩爾流率（摩爾數(shù)）形式],動(dòng)力學(xué): 寫出各種物質(zhì)的凈生成速率,化學(xué)計(jì)量學(xué): 用摩爾流率（摩爾數(shù)）表示速率方程中的濃度,壓降: 寫出按摩爾流率得到的氣相壓降表達(dá)式,聯(lián)立: 使用 ODE方法

13、求解常微分方程組,穩(wěn)態(tài)熱量衡算方程,第八章 穩(wěn)態(tài)非等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),CSTR與PFR(PBR)不同,一般可以忽略,,,,,式中：,,穩(wěn)態(tài)CSTR中的熱量衡算方程,第八章 穩(wěn)態(tài)非等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),,,穩(wěn)態(tài)PFR（PBR）中的熱量衡算方程,第八章 穩(wěn)態(tài)非等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),,,穩(wěn)態(tài)非等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì)思路,第八章 穩(wěn)態(tài)非等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),能量衡算方程,,,V=f(X,T),T=h(X),求解V或X，T,具體計(jì)算公式請(qǐng)參考P345圖8-4，P351表8-2

14、，P359表8-3,CSTR熱穩(wěn)定性——多穩(wěn)態(tài)分析,第八章 穩(wěn)態(tài)非等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì),T,Tr: reactor temperature;,失控的判據(jù)：,題型：求體積、轉(zhuǎn)化率、時(shí)間、動(dòng)力學(xué)按照步驟依次推導(dǎo)，最后帶入數(shù)據(jù),解題一般思路,針對(duì)某種形式反應(yīng)器，寫出摩爾衡算方程（設(shè)計(jì)方程）,寫出動(dòng)力學(xué)方程（不可逆？可逆？?jī)舴磻?yīng)速率？）,利用化學(xué)計(jì)量學(xué)，關(guān)聯(lián)不同組分反應(yīng)速率、濃度，考慮體積變化影響,將化學(xué)計(jì)量學(xué)處理后的濃度帶入動(dòng)力學(xué)，將動(dòng)力學(xué)帶入摩

15、爾衡算方程,若非等溫，根據(jù)反應(yīng)器形式，寫出熱量衡算方程,求解方程（組），求V，X，t，rA均可,,,,,,等溫反應(yīng)器設(shè)計(jì)習(xí)題 （不是最難的，但是最有代表性的） 苯醌（A）和環(huán)二戊烯（B）在298K下的液相加成反應(yīng)為： ， 反應(yīng)在全混流反應(yīng)器中進(jìn)行 液體進(jìn)料速度是0.278 m3/ks 該反應(yīng)為二級(jí)反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)方程為 –rA=kCACB ，k=9.92m3/(kmol